Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment utiliser la gravimétrie par volatilisation pour calculer la quantité d’un analyte dans un échantillon ou pour déterminer la formule d’un composé hydraté.
La gravimétrie par volatilisation décrit des méthodes d’analyse gravimétrique qui utilisent de l’énergie thermique ou chimique afin de séparer les substances d’un mélange ou d’un composé chimique. L’énergie thermique ou chimique est utilisée pour transformer certaines molécules de réactifs solides en molécules gazeuses. Les molécules gazeuses sont généralement libérées assez facilement du solide, car elles sont volatiles et peuvent être évaporées relativement facilement. La gravimétrie par volatilisation diffère des autres méthodes d’analyse gravimétrique qui utilisent la précipitation ou l’électricité afin de séparer les composants d’un mélange ou d’une substance chimique.
Définition : Gravimétrie par volatilisation
La gravimétrie par volatilisation est une méthode d’analyse de masse qui utilise de l’énergie thermique ou chimique afin de séparer des substances dans le but de pouvoir mesurer leurs masses.
Exemple 1: Définir la gravimétrie par volatilisation
Lequel des énoncés suivants décrit le mieux le processus de gravimétrie par volatilisation ?
- la mesure de la variation de la concentration suite à la neutralisation d’un échantillon
- la mesure de la variation du volume suite au mélange de deux échantillons
- la mesure de la variation de la masse suite à l'élimination des composés volatils d’un échantillon
- la mesure de la variation de la masse suite à la réaction d’un échantillon pour produire un précipité
Réponse
Cette question vise à définir la gravimétrie par volatilisation. Le terme « volatilisation » signifie que nous évaporons ou éliminons les gaz qui ont un point d’ébullition bas. Le terme « gravimétrie » signifie que nous mesurons une masse. Ces définitions correspondent au choix de réponse C.
Les autres réponses sont donc incorrectes. La neutralisation n’est pas directement liée à la gravimétrie par volatilisation, donc le choix de réponse A est inexact. Nous nous intéressons à la variation de la masse, et non à la variation du volume, donc le choix de réponse B est inexact. Le choix de réponse D décrit un autre type de gravimétrie, soit la gravimétrie par précipitation. Nous pouvons utiliser ces affirmations pour déterminer que le choix de réponse C est approprié pour répondre à cette question.
La gravimétrie par volatilisation peut impliquer la séparation de nombreuses molécules volatiles, telles que le dioxyde de carbone, le dichlore gazeux ou le diazote gazeux.
Par exemple, de l’énergie chimique peut être utilisée pour produire du dioxyde de carbone gazeux à partir d’hydrogénocarbonate de sodium, et ce dioxyde de carbone peut ensuite être transformé en différents produits chimiques. Les produits peuvent être des composés chimiques faciles à peser et à mesurer. L’équation chimique suivante montre comment une solution aqueuse d’acide sulfurique peut être utilisée pour séparer les molécules de dioxyde de carbone du bicarbonate de sodium.
Exemple 2: Identifier le composé volatil dans une réaction de gravimétrie par volatilisation
Un élève veut déterminer la quantité de bicarbonate de sodium dans un échantillon en utilisant la gravimétrie par volatilisation. Il fait réagir l’échantillon avec de l’acide sulfurique dilué, ce qui provoque la réaction suivante :
Quelle molécule volatile l’élève mesurera-t-il ?
- le
- le
- le
- le
- le
Réponse
Cette question vise à identifier le composé volatil qui est produit lors de la gravimétrie par volatilisation. La gravimétrie par volatilisation est un procédé qui utilise de l'énergie chimique ou thermique afin de séparer les composés volatils.
Un composé volatil est un composé qui a un point d’ébullition bas.
Lors d'une gravimétrie par volatilisation, les composés volatils peuvent facilement se décomposer sous forme de gaz. Au cours de cette réaction, le produit gazeux qui est dégagé est du dioxyde de carbone (). Nous pouvons utiliser ces affirmations pour déterminer que le choix de réponse A est approprié pour répondre à cette question.
Nous allons toutefois nous concentrer ici sur la gravimétrie par volatilisation impliquant la perte d’eau.
La forme cristalline de certains sels peut incorporer des molécules d’eau dans sa structure. Ces molécules d’eau sont appelées eau de cristallisation ou eau d’hydratation.
Définition : Eau de cristallisation
L’eau de cristallisation consiste en la présence de molécules d’eau dans la structure d’un cristal.
Lorsqu’un sel contient des molécules d’eau dans sa structure, il est connu sous le nom de sel ou de complexe hydraté. Nous pouvons exprimer la formule chimique d’un sel hydraté en écrivant le nombre de molécules d’eau associées à une seule unité de sel. Un sel hydraté courant est le sulfate de cuivre(II) (). À partir de sa formule chimique, nous pouvons constater que chaque unité de est associée avec cinq molécules d’eau.
Définition : Sel hydraté
Un sel hydraté est une substance qui contient de l’eau de cristallisation.
En éliminant toutes les molécules d’eau d’un sel hydraté, nous formons un sel anhydre. Lorsque l’eau est éliminée au cours d'une gravimétrie par volatilisation, nous passons du sel hydraté au sel anhydre.
Définition : Sel anhydre
Une substance anhydre est une substance qui ne contient pas d’eau.
Des cristaux bleus de sulfate de cuivre(II) hydraté peuvent être transformés en cristaux blancs de sulfate de cuivre(II) anhydre lorsqu’ils sont chauffés à l'aide de la flamme d'un bec Bunsen. Les cristaux de sulfate de cuivre(II) anhydre peuvent être retransformés en sulfate de cuivre(II) hydraté bleu lorsqu’ils sont saturés avec suffisamment de molécules d’eau, tel qu'illustré ci-dessous.
Nous pouvons utiliser la variation de la masse afin de déterminer certaines propriétés, telles que le nombre de molécules d’eau par unité de formule dans un échantillon, la masse d’eau dans un échantillon ou même le pourcentage massique d’un composé hydraté dans un mélange.
La gravimétrie par volatilisation peut être réalisée en laboratoire à l'aide d'un équipement scientifique relativement simple ou incroyablement sophistiqué. Certaines des expériences de gravimétrie par volatilisation les plus simples sont réalisées avec un support de fixation, un creuset en silicium ou en porcelaine et un bec Bunsen.
Comment déterminer la quantité d’eau dans une substance à l'aide de la gravimétrie par volatilisation
Un montage simple couramment utilisé pour réaliser une gravimétrie par volatilisation est illustré ci-dessous :
Ce montage scientifique relativement simple est idéal pour déterminer la quantité d’eau qui est libérée à partir d’un complexe chimique hydraté, comme des sels hydratés. Voici les étapes nécessaires pour effectuer cette analyse :
- Placer un échantillon de la substance préalablement pesé dans un creuset.
- Peser le creuset. On obtient ainsi la masse du creuset plus la masse de l’échantillon.
- Fixer le creuset au-dessus d’un bec Bunsen en utilisant un support universel et un triangle d’argile.
- Allumer le bec Bunsen et faire chauffer le creuset.
- Mesurer la masse du creuset et continuer à chauffer jusqu’à l'obtention d'une masse constante.
- Mesurer la masse finale du creuset. Ceci donne la masse du creuset plus la masse de l’échantillon sans les molécules volatiles, qui ont été éliminées.
Pendant le processus de chauffage, les molécules d’eau sont libérées du complexe hydraté qui formera un produit anhydre. Nous pouvons par la suite utiliser la masse de l’échantillon et du creuset avant et après le chauffage afin de déterminer la quantité d’eau qui a été perdue.
Vous devriez maintenant être en mesure de comprendre que les complexes chimiques hydratés peuvent être pesés et chauffés afin de déterminer l’abondance relative des composés volatils tels que les molécules d’eau. Les complexes chimiques hydratés peuvent être chauffés à l'aide d'un bec Bunsen afin de déterminer la masse des molécules d’eau qu’ils libèrent, et cette masse peut ensuite être utilisée afin de déterminer le degré d’hydratation.
Considérons maintenant un complexe de sulfate de cobalt(II) hydraté dont la formule moléculaire est , où représente un certain nombre entier inconnu. La masse d’un échantillon de ce complexe a été mesurée comme étant de 4,97 grammes. Suite au chauffage jusqu'à l’obtention d'un état anhydre, une masse constante de 2,74 grammes a été obtenue. Ces données sont résumées dans le tableau suivant.
| Masse de l’échantillon avant le chauffage | Masse de l’échantillon après le chauffage |
|---|---|
| 4,97 g | 2,74 g |
La masse des molécules d’eau libérées est simplement calculée comme étant la différence entre la masse de l’échantillon avant le chauffage et la masse de l’échantillon après le chauffage. La masse de l’eau perdue est donc calculée selon l’équation suivante.
Équation : Masse de l’eau perdue
La masse de l’eau perdue peut être calculée à l'aide de l’équation suivante :
Nous devons maintenant déterminer combien de moles de molécules d’eau sont contenues dans 2,23 grammes d’eau. Le nombre de moles d’eau peut être calculé en utilisant la formule où représente le nombre de moles, représente la masse en grammes et représente la masse molaire en grammes par mole. La masse molaire de l’eau est de 18 g/mol.
Ensuite, nous pouvons calculer le nombre de moles de molécules de sulfate de cobalt(II) contenues dans 2,74 grammes de complexe de sulfate de cobalt(II) anhydre. La masse molaire du sulfate de cobalt(II) peut être calculée en additionnant les masses molaires moyennes de ses atomes constitutifs :
En utilisant cette formule, nous obtenons
Ces calculs montrent que le complexe de sulfate de cobalt(II) hydraté contenait 0,124 mole de molécules d’eau et 0,0177 mole de sulfate de cobalt(II).
Les valeurs molaires peuvent être divisées afin de déterminer le rapport entre le nombre de molécules d’eau et le nombre de molécules de sulfate de cobalt(II) dans le complexe de sulfate de cobalt(II) hydraté d’origine. qui, arrondi au nombre entier le plus proche, est égal à .
Les résultats de la gravimétrie par volatilisation indiquent qu’il y a sept molécules d’eau pour chaque unité de sulfate de cobalt(II). Par conséquent, la formule de cette molécule est .
Chaque fois que nous utilisons la gravimétrie par volatilisation avec des substances hydratées, certaines hypothèses sont formulées. L’une d’entre elles est que l’eau est la seule molécule perdue. Cependant, la perte de tout autre composé volatil entraînera également une diminution de la masse.
Exemple 3: Déterminer le nombre de molécules dans un hydrate à partir de sa masse et de la masse de l’eau
Un échantillon de chlorure de cobalt(II) hydraté est chauffé jusqu’à ce que sa masse demeure constante. Pour chaque 1,00 g de chlorure de cobalt(II) produit, 0,831 g d’eau est libérée. Quelle est la valeur de , où représente un nombre entier ? [ , , , ]
Réponse
Cette question vise à déterminer l’eau de cristallisation par unité pour le chlorure de cobalt(II) hydraté. Il est mentionné que pour 1,00 g de chlorure de cobalt(II) anhydre produit, 0,831 g d’eau est libérée.
À partir des masses fournies, nous pouvons calculer le nombre de moles d’eau qui est libérée ainsi que le nombre de moles de chlorure de cobalt(II) anhydre. Nous pouvons calculer le nombre de moles en utilisant la formule où représente le nombre de moles, représente la masse en grammes et représente la masse molaire en grammes par mole.
La masse molaire du peut être calculée comme suit :
La masse molaire du peut être calculée comme suit :
Nous pouvons maintenant calculer le nombre de moles de et de :
Finalement, nous pouvons établir le rapport entre ces deux quantités en moles en nous assurant de diviser la quantité plus abondante d’eau par la quantité moins abondante de afin d'obtenir un nombre entier .
En arrondissant au nombre entier le plus près, cette valeur est égale à .
La formule chimique du chlorure de cobalt(II) hydraté est donc . La valeur de est égale à 6.
Nous pouvons aussi utiliser les résultats de l’analyse gravimétrique par volatilisation afin de déterminer le pourcentage d’eau de cristallisation. Le pourcentage d’eau de cristallisation nous indique la masse d’eau qui est présente dans un cristal hydraté.
Équation : Pourcentage d’eau de cristallisation
Nous pouvons calculer le pourcentage d’eau de cristallisation pour notre sel de sulfate de cobalt(II) hydraté. Nous avons déterminé que la formule chimique de ce sel est .
En prenant la masse molaire de l’eau comme étant de 18 g/mol et celle du comme étant de 155 g/mol, nous pouvons calculer la masse molaire du complexe hydraté .
La formule pour calculer le pourcentage d’eau de cristallisation est :
Nous avons déterminé que le pourcentage d’eau de cristallisation est de pour le complexe de sulfate de cobalt(II) heptahydraté. Ce nombre implique que ce complexe de sulfate de cobalt(II) hydraté contient un pourcentage massique d'eau .
Exemple 4: Calculer le pourcentage d’eau de cristallisation en utilisant la masse du sel hydraté et déshydraté
Un échantillon de 0,3548 g de sel hydraté a été fortement chauffé jusqu’à l'obtention d'une masse constante de 0,3015 g. Quel est le pourcentage d’eau de cristallisation dans ce sel hydraté ? Donnez votre réponse au centième près.
Réponse
Cette question vise à déterminer le pourcentage d’eau de cristallisation ou le pourcentage massique d’eau contenue dans le sel hydraté. Afin de pouvoir déterminer cette valeur, nous devons comparer la masse de l’eau évaporée avec la masse totale du sel hydraté.
Pour déterminer la masse d’eau évaporée, nous pouvons soustraire la masse finale de la masse initiale, en supposant que toute la masse perdue est attribuable à l’évaporation de l’eau.
Pour calculer le pourcentage d’eau de cristallisation, nous devons diviser ce nombre par la masse du sel hydraté afin d'obtenir un pourcentage.
En arrondissant au centième près, nous obtenons une valeur finale de .
Ce nombre signifie que de la masse du sel hydraté constitue en fait la masse de l’eau de cristallisation.
Points clés
- La gravimétrie par volatilisation consiste à séparer les composés volatils et à mesurer la variation de masse.
- En utilisant la gravimétrie par volatilisation, nous pouvons déterminer la masse du composé volatil et la masse du composé résiduel, et utiliser ces valeurs pour calculer le nombre de moles de chacun d'entre eux.
- L’eau de cristallisation consiste en des molécules d’eau qui sont incorporées dans la structure cristalline d’une substance.
- Les sels contenant de l’eau sont dits hydratés, tandis que les sels ne contenant pas d'eau sont dits anhydres.
- Le degré d’hydratation d’un sel hydraté représente le nombre de molécules d’eau incorporées par unité de formule de sel.
- La gravimétrie par volatilisation nous permet de déterminer le degré d’hydratation d’un sel.
- La gravimétrie par volatilisation nous permet également de déterminer le pourcentage massique d’eau de cristallisation contenue dans un sel.
